Mehrkomponententeile mit einem zweigeteilten Würfelwerkzeug fertigen und montieren

Der von Foboha entwickelte neuartige „Reverse Cube“ fertigt verschiedene Bauteile oder Mehrkomponententeile aus unterschiedlichen Materialien in einem Schritt und montiert die Einzelteile mithilfe eines Handlingroboters noch im Werkzeug zykluszeitneutral zum Endprodukt. Das automatisierte Verfahren erhöht die Qualität, verkürzt die Zykluszeit im Vergleich zu separaten Spritzgieß- und Montageprozessen um bis zu 40 Prozent und ermöglicht so erhebliche Produktivitätsgewinne bei geringeren Kosten.

Der von Foboha entwickelte „Reverse Cube“ fertigt verschiedene Bauteile aus unterschiedlichen Materialien in einem Schritt und montiert die Einzelteile mithilfe eines Handlingroboters noch im Werkzeug zykluszeitneutral zum Endprodukt.

Ausgangspunkt des neuen Verfahrens war eine Anforderung der BSH Hausgeräte GmbH bei der Herstellung von Unterkorbrollen für Geschirrspüler. Diese werden bisher aus einer Rolle und einer Steckbuchse auf zwei getrennten Spritzgießmaschinen gefertigt und anschließend in mehreren getrennten Montageautomaten montiert (Bild 1). Die Ausbringungsmenge der Unterkorbrollen sollte um 20 % erhöht und eine weitere Bauteilvariante eingeführt werden. Das hätte den Einsatz einer zusätzlichen Spritzgießmaschine und eines zusätzlichen Montageautomaten sowie ein größeres Zwischenlager für die vorgefertigten Teile notwendig gemacht. Das bisherige Verfahren war durch die getrennten Prozessschritte mit vielen manuellen Zwischentätigkeiten zeit- und kostenaufwendig.

Ein neues Verfahren für Mehrkomponententeile

Wozu bisher zwei Spritzgießmaschinen und eine separate Montageanlage benötigt wurden, setzt der sogenannte Reverse Cube (Titelbild) auf einer Maschine und in einer kürzeren Zykluszeit um. Das neue Werkzeugsystem kann zwei und mehr Teile aus unterschiedlichen Materialien oder Farben herstellen und simultan zum Spritzzyklus montieren.

Entwickelt hat den Reverse Cube die Foboha GmbH, Haslach, ein führender, global agierender Systemanbieter in der Spritzgießbranche. Das System nutzt in zwei übereinander angeordneten Würfelhälften getrennte Werkzeugbereiche für gleichzeitig ablaufende Arbeitsvorgänge. In die Kavitäten von zwei Schließebenen werden über Heißkanal-Nadelverschlusssysteme (Hersteller: Otto Männer GmbH, Bahlingen) gleichzeitig die Kunststoffe POM und PP für die beiden Komponenten Rolle und Steckbuchse eingespritzt. Die Würfelhälften drehen sich um 90° gegeneinander – nach jeder Drehung erfolgt der nächste Einspritzvorgang.

Mit der Drehung werden die gleichzeitig gefertigten einzelnen Bauteile frei zur Entnahme. Dafür ist ein Sechsachsroboter in die Anlage integriert. Er entnimmt simultan zum Spritzzyklus aus dem unteren Würfel die Rollen und setzt sie in die Steckbuchsen ein, die sich noch in den Kavitäten der oberen Würfelhälfte befinden (Bild 2).

„Die beiden Würfelhälften sind in der Mitte thermisch getrennt. So können wir die unterschiedlichen Materialien mit verschiedenen Temperaturanforderungen gleichzeitig verarbeiten“, nennt Rainer Armbruster, Geschäftsführer von Foboha, einen Vorteil des neuen Konzepts. Er hebt außerdem hervor, dass das Würfelkonzept mit den gegenläufig drehenden Hälften (Bild 3) die Fertigung und Montage der zwei Bauteile auf engstem Raum und im kürzestmöglichen Zyklus erlaubt. „Wir sind sehr flexibel für unterschiedlichste Bauteilgeometrien, Materialien und Farben. Das Konzept ist auch für drei Komponenten und die Reinraumfertigung anwendbar“, so Armbruster.

Nadelverschluss-Heißkanalsystem  für enge Prozessfenster

Die eingesetzten Nadelverschluss-Heißkanalsysteme des Präzisionsformen- und Heißkanalspezialisten Männer wurden ausgewählt, um die hohen Anforderungen an den Herstellprozess mit engen Prozessfenstern und kurzen Zykluszeiten bei einem großen Produktionsvolumen zu gewährleisten. Die zylindrischen Nadelverschluss-Systeme sorgen für eine hohe Angussqualität, Maßhaltigkeit und Prozesssicherheit.

Für die exakte Temperaturregelung der Heißkanaldüsen und -verteiler wird ein Heißkanalregler von Gammaflux (GF Controls GmbH, Wiesbaden) eingesetzt. Dieser misst in Millisekunden-Abständen die exakte Temperatur – wenn die Temperatur 0,014 °C vom Sollwert abweicht, nimmt ein Regelungsalgorithmus Anpassungen vor. Ein Zweitdifferenzial sorgt dafür, dass ein Über- und Unterschwingen der Solltemperatur minimiert wird.

Höhere Stückzahlen zu geringeren Stückkosten

Das gesamte Reverse-Cube-System wird mit einer Spritzgießmaschine des Typs Allrounder Cube (Hersteller: Arburg GmbH + Co KG, Loßburg) betrieben, die hierfür entsprechend weiterentwickelt wurde (Bild 4). Bernd Eble, Senior Application Manager Cube Mold Technology bei Arburg, meint dazu: „Wir haben unsere Allrounder Cube Baureihe, die zur K 2016 erstmals vorgestellt wurde und mittlerweile aus drei Maschinengrößen besteht, umfassend auf die neuartige Werkzeugtechnik adaptiert. Soft- und Hardware wurden genauso angepasst wie auch die komplette QS-Auswertung.“

Marc Wendlandt, Projektingenieur bei Arburg, ergänzt: „Zusätzlich haben wir die Automationstechnik der Cube-Maschinen an das Reverse-Cube-System angepasst und auch den Handlingroboter in das Verfahren eingebunden. Mit dem Reverse Cube können wir den Ausstoß pro Maschine verdoppeln und die Zykluszeit inklusive Montage um bis zu 40 % verkürzen. Weitere Vorteile des neuen Verfahrens sind der geringe Platzbedarf und die gesunkenen Stückkosten.“

Spritzgieß- und Robotertechnik aufeinander abgestimmt

Da das Reverse-Cube-System aus zwei gleichzeitig betriebenen Würfeln besteht, werden zwei Servo-Motoren angesteuert, die gegenläufig drehen. Dadurch erhöht sich auch die Anzahl der hydraulischen, pneumatischen und elektrischen Werkzeugachsen. Diese wurden komplett und voneinander unabhängig in die Spritzgießmaschinensteuerung Selogica integriert und können so individuell frei programmiert werden.

Im Bereich der Qualitätssicherung werden die Anforderungen ebenfalls durch die Herstellung von zwei Einzelteilen definiert, die zu einem Fertigteil montiert werden. Jedes dieser Einzelteile durchläuft einen kompletten Würfelzyklus, also alle vier Stationen. Dieser Ablauf bedingt eine erweiterte QS-Auswertung, die über einen stationsgebundenen Teilestatus realisiert werden konnte. Für jedes Einzelteil gibt es einen vollständigen Parametersatz mit individuellen Qualitätsanforderungen (Prozessparametern), die sich separat überwachen, zyklusübergreifend protokollieren und anschließend der fertig montierten Baugruppe zuordnen lassen. Diese Daten werden an das Robot-System weitergegeben, das so eine zuverlässige Gut-/Schlechtteil-Separierung vornehmen kann.

Weitere konstruktive Umbauten betrafen aufgrund der notwendigen schnellen Zyklen den Kuka-Sechsachsroboter. Marc Wendlandt dazu: „Der Greifer wurde mit zwei Modulen ausgestattet. Mit dieser Technik kann in einem Prozessschritt die Rolle aus dem unteren Würfelsystem entnommen und gleichzeitig die Rolle aus dem vorherigen Zyklus mit der Steckbuchse zum Fertigteil montiert werden. Bei der Montage von Rolle und Buchse sind hohe Kräfte erforderlich, die in Abstimmung mit der Werkzeugkonstruktion über den hydraulischen Auswerfer aufgebracht werden.“

Als erster Anwender setzt die Hermann Hauff GmbH & Co. KG, Pforzheim, die neue Technik ein. Der Kunststoffverarbeiter fertigt die Unterkorbrollen für die Geschirrspüler von BSH mit einer Spritzgießmaschine Allrounder Cube 2900. Jörg Vetter, Technischer Leiter bei Hermann Hauff, bestätigt die Vorteile des neuen Verfahrens: „Durch die Montage direkt am Werkzeug brauchen wir jetzt keinen eigenen Montageautomaten mehr. Die personalintensive Materiallogistik verringert sich, das Zwischenlager für die vorgefertigten Einzelteile entfällt.“ Nach Aussage von Jörg Vetter und Geschäftsführerin Andrea Hauff wird sich der Platzbedarf um etwa 60 % verringern. Die höheren Investitionskosten für die neue Anlage werden durch die gesunkenen Stückkosten mehr als ausgeglichen.

Eine wichtige Anforderung des Kunden BSH Hausgeräte war die lückenlose Lieferfähigkeit der Unterkorbrollen auch mit dem Reverse Cube. Um die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der neuen Anlage zu gewährleisten, wurden ein echtzeitfähiges Monitoring des Fertigungsprozesses und eine intensive Überwachung des Werkzeugs eingerichtet.

Automatisierte Überwachung und Steuerung des Herstellungsprozesses

Für die geforderte Zuverlässigkeit und Qualität der Ergebnisse wurden beim Reverse-Cube-System zwei voneinander unabhängige Überwachungssysteme installiert. Das eine regelt und überwacht die Teilequalität. Das andere kontrolliert den Zustand der Spritzgießformen und Kavitäten.

„Wir stellen die Teilequalität durch Fillcontrol, eine sensorbasierte Überwachung und automatisierte Prozessregelung, sicher“, erläutert Erwin König, Geschäftsführer der Priamus System Technologies GmbH, Salach. Das Unternehmen mit Stammsitz in Schaffhausen/ Schweiz hat sich auf Systeme zur Qualitätssicherung, -steuerung und -regelung im Spritzgießprozess spezialisiert. Deutschland-Chef König nennt vor allem drei Regelungsbereiche, die für die Zuverlässigkeit und Qualität in diesem Fall entscheidend sind:

<ul><li>die automatische Heißkanalbalancierung,</li><li>die Viskositätsregelung und</li><li>die Kompressionsregelung.</li></ul>

Wie sind diese Elemente nun ausgeführt? Werkzeugwandtemperatur-Sensoren in jeder Kavität nahe dem Fließwegende detektieren die Füllzeitunterschiede in Echtzeit. Die automatische Regelung minimiert diese Differenz durch Vorgabe neuer Sollwerte für die Düsentemperaturen im Heißkanalregler und stellt somit sicher, dass alle Kavitäten gleichzeitig gefüllt werden.

Mithilfe von Werkzeuginnendruck- und Werkzeugwandtemperatur-Sensoren werden Schwankungen der Viskosität und des Schmelzflusses erkannt. Durch die Anpassung der Temperatur im Heißkanalverteiler sowie der Zylindertemperatur werden die Schubspannung und durch Anpassung des Einspritzprofils die Schergeschwindigkeit automatisch geregelt und die Viskositätsschwankungen ausgeglichen. Die Kompressionsregelung schließlich sorgt dafür, dass die Verdichtung der Schmelze während der Nachdruckphase immer einem optimalen Referenzwert entspricht.

Nach dem Einrichten des Überwachungs- und Regelsystems Fillcontrol kann das System im 24/7-Betrieb autonom arbeiten. „Im Unterschied zu üblichen Stichprobenkontrollen erreichen wir mit unserem Qualitätssicherungssystem eine 100-%-ige Teilekontrolle und eine vollständige Dokumentation des Spritzgießprozesses“, ergänzt König.

Monitoring für den Zustand der Spritzgießformen

Der Bedarf für eine sensorbasierte Überwachung und automatisierte Prozessregelung steigt auch, weil der Einsatz von Biokunststoffen steigt und Altkunststoffe häufiger wiederaufbereitet werden. „Die damit verbundenen Materialschwankungen und Prozessveränderungen führen trotz konstanter Maschineneinstellungen zu schwankenden Ergebnissen und mehr Schlechtteilen. Mit unserem Verfahren können wir auch solche Herausforderungen lösen“, so König.

Das zweite Qualitätssicherungssystem ist moldMind II von Männer. Das Monitoring-System überwacht und dokumentiert relevante Spitzgießparameter. So werden die wichtigsten prozessrelevanten Daten der Spritzgießform erfasst und aufgezeichnet. Dadurch sind die Prozesswerte, Betriebszeiten sowie die Stillstandszeiten des Werkzeugs verfügbar.

Durch eine Erinnerungsfunktion für bevorstehende Wartungen unterstützt moldMind II die Planung von Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen, das Ersatzteilmanagement sowie das Refurbishing. Zudem wird das System weiterentwickelt, um durch die Erfassung, Speicherung und Analyse von Realdaten eine vorausschauende Wartung („Predictive Maintenance“-Konzept) zu ermöglichen. So lassen sich Störungen frühzeitig vorhersagen und Ausfälle vermeiden.

Bei komplexen Kunststoffprodukten, die sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen, werden die Einzelteile in der Regel auf mehreren Spritzgießmaschinen gefertigt und anschließend montiert. Die getrennten Prozessschritte mit vielen manuellen Zwischentätigkeiten machen das Verfahren zeit- und kostenaufwendig. Der Reverse Cube, ein auf einer Spritzgießmaschine Allrounder Cube betriebenes zweigeteiltes Würfelwerkzeug, fasst die Einzelprozesse zusammen. Das automatisierte einstufige Verfahren, in dem alle Schritte parallel ablaufen, verbessert die Qualität, ist bis zu 40 % schneller und senkt die Kosten.

Bild 2. Der Sechsachsroboter entnimmt simultan zum Spritzzyklus (hier im Trockenlauf) aus  der unteren Würfelhälfte die Rollen und setzt sie in die Steckbuchsen der oberen Kavitäten ein 

Bild 3. Mit der Drehung der zwei thermisch getrennten Würfelwerkzeughälften werden die gespritzten Bauteile frei zur Entnahme

Bild 4. Soft- und Hardware der Spritzgießmaschine Allrounder Cube 2900 wurden an die neuartige Werkzeugtechnik ebenso angepasst wie die komplette QS-Auswertung

Die zwei übereinander angeordneten Hälften des Würfelwerkzeugs drehen sich in 90°-Schritten gegeneinander. Unten: Einspritzen und Kühlen von Komponente 1 (Rolle aus PP), analog oben für Komponente 2 (Steckbuchse aus POM) um 180° versetzt

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Bild 1. Beide Kunststoffteile, Steckbuchse und Rolle, können im „Reverse Cube“ in einem Arbeitsgang hergestellt und montiert werden 

Maenner - Hauptartikel

Martin Ortgies ist freier Technikjournalist für Barnes Molding Solutions, Bahlingen; <a href="mailto:mails@ortgies.com">mails@ortgies.com</a>

Foboha, Männer, Priamus und Thermoplay sind Unternehmen innerhalb der strategischen Geschäftseinheit „Molding Solutions“ der Barnes Group Inc., in der insgesamt sechs Unternehmen Hightech-Lösungen für das Kunststoff-Spritzgießen entwickeln und anbieten:

<a href="http://www.barnesgroupinc.de/bgi-businesses/ industrial-segment/molding-solutions.aspx">www.barnesgroupinc.de/bgi-businesses/ industrial-segment/molding-solutions.aspx</a>

Die Reverse-Cube-Technologie wurde entwickelt für die Produktion von Bauteilen, die aus mehreren Komponenten oder verschiedenen Materialien bestehen und eine Montage erfordern. Durch die thermische Trennung der beiden Würfelhälften können Komponenten mit komplett unabhängigen Prozessfenstern hergestellt werden. Das System wurde kürzlich auf der K 2019 erstmals der Öffentlichkeit präsentiert.

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Zukunftsträchtige Entwicklungen zu Recycling, Kühlung und Digitalisierung

Vom „Dütenhersteller“ zum Maschinenbauunternehmen mit nahezu Milliarden-Umsatz hat Windmöller & Hölscher sich innerhalb von 150 Jahren entwickelt. Ein Veranstaltungsmarathon über vier Wochen und Neuentwicklungen zeigen, dass das westfälische Unternehmen sich keineswegs auf dem Erreichten ausruhen will.

Ende September schon ein Fest für die rund 4000 Mitarbeiter samt Partnern in Lengerich, am Vortag der K ein Event mit rund 1000 Kunden ebenfalls am Stammsitz, dann die K, bei der per Shuttle an die 1000 Besucher von Düsseldorf zum Technikum gebracht wurden, am Samstag nach der K erst eine Feierstunde und anschließend Tag der offenen Tür mit über 8000 Besuchern – vier intensive Wochen lang hat die Windmöller & Hölscher Gruppe ihr 150-jähriges Jubiläum gefeiert. Das hätte 1869 noch niemand ahnen können, als das Unternehmen zunächst zur Herstellung von Papiertüten gegründet wurde.

Doch schon 1877 patentierte Hermann Hölscher eine „Spitzdüten“-Maschine mit Druckvorrichtung für die eigene Tütenproduktion und stellte damit die Weichen für ein Unternehmen, das mit Maschinen für Folien, Gewebe und Papier 2018 rund 895 Mio. EUR Umsatz eingefahren hat – und wohl auch dieses Jahr in etwa bei dieser Marke landen wird. Denn die Unsicherheiten in der Verpackungsbranche sind weltweit groß, die politischen Rahmenbedingungen nicht immer klar, und so setzt sich das Wachstum der vergangenen Jahre wohl nicht fort. Die branchenweit relativ gute Stimmung auf der K in Düsseldorf galt daher oft nicht etwa unterschriebenen Kaufverträgen, sondern den überraschend zahlreichen und vor allem sehr konkreten Anfragen von Interessenten, auch wenn der Realisierungshorizont dieser Projekte vermutlich nicht immer sehr nahe liegt.

Allerdings, so ließ W&H-Unternehmenssprecherin Dominique Alhäuser wissen, rechne ihr Unternehmen dank der auf der K und in Lengerich hervorgehobenen Produktionsverfahren für Polyethylen- und Polypropylen-Monomaterialfolien mit einer erhöhten Nachfrage, die der schwächeren Weltwirtschaftslage entgegenwirke. Sowohl aus der auf der Varex II mit Machine-Direction-Orientation (MDO) hergestellten PE-Blasfolie als auch mit dem auf der Filmex II produzierten PP-Gießfolie lassen sich Standbodenbeutel fertigen, die jeweils als sortenreines Material recycelbar sind. Dass andererseits aus Recyclingmaterial wieder Folie werden kann, zeigte W&H an Schrumpffolien mit Post-Consumer- sowie Post-Industrial-Rezyklatanteilen.

Ein recht visionärer Ansatz für recyclingfreundliche Hochbarrierefolien wurde im W&H-Technologiezentrum während der K live gezeigt: Die Idee besteht darin, mithilfe der 11-Schicht-Technologie der Blasfolienanlage Varex II zwischen PE und Polyamid (PA) eine wasserlösliche Schicht des Butandiol-Vinylalkohol-Copolymers BVOH-G-Polymer zu packen. Das Material stellt die mittlerweile zur Mitsubishi Chemical gehörenden Nippon Gohsei her. Ähnlich wie Polyvinylalkohol (PVOH), das für wasserlösliche Waschmittelbehälter zum Einsatz kommt <a href="http://[1]">[1]</a>, würde es sich in geshredderten Folienflakes bei der Heißwäsche innerhalb weniger Minuten auflösen, sodass sich die PE-/PA-Folienschnipsel voneinander lösen und aufgrund ihres Dichteunterschiedes im Schwimm-Sink-Verfahren getrennt werden können. Weil es andererseits ähnlich wie EVOH als Gasbarriere wirkt, sei das Interesse an dieser Materialkombination auf der K groß gewesen, so Technologievorstand Dr. Falco Paepenmüller.

Zur K 2019 hat W&H auch ein neues Hochleistungskühlsystem für seine Blasfolienanlagen vorgestellt. Das überarbeitete Kühlsystem ist eine Weiterentwicklung seiner Arectis-Kühlringfamilie und ergänzt das bestehende Portfolio speziell für Applikationen, bei denen besonders hohe Leistung erforderlich ist oder schwierig zu fahrende Applikationen von der gesteigerten Prozessstabilität profitieren. Die Varex II auf dem Messestand (Bild 1) konnte ihre Spitzenleistung im Vergleich zur K 2016 (1349 kg/h) um etwa 16 % auf 1559 kg/h steigern. „Je nach Produkt und Maschinenaufbau sind mit dem W&H-System Leistungssteigerungen von bis zu 20 % möglich“, ergänzt der CTO von W&H. Eine Blasfolienanlage zur Herstellung von FFS-Folie wurde bei W&H mit 500 kg/h vorgeführt.

Für die Entwicklung eines Bausteins hat W&H mit dem nordamerikanischen Kühlringspezialist Addex Inc, Newark/NY, eine exklusive Lizenzvereinbarung zur Nutzung der Intensive-Cooling-Technik getroffen. Darüber hinaus hat W&H eigene leistungssteigernde Entwicklungen einfließen lassen. Die Addex-Technologie liefert in typischen Blasfolienanlagen nach Angaben von CEO Bob Cree auf der K mindestens 10 % Leistungssteigerung.

Natürlich spielten auf der K auch die klassischen Effizienz- und Kostenaspekte eine wichtige Rolle, wie die Live-Vorführungen des „Turbostarts“ der Blasfolienanlage demonstrierte, der unter anderem dank Automatisierungsschritten die Anlaufzeit in etwa halbiert. Ähnlich verspricht in der Gießfolienproduktion die Control Wizard bis zu 70 % Zeit- und Abfallersparnis durch automatisierten Produktwechsel. Und last but not least bediente „Ruby“ das seit der vorigen K gereifte Thema Industrie 4.0, indem es die Anlagendaten automatisiert auswertet und darauf aufbauend digitale Services anbietet, um Produktionsprozesse zu verbessern: So kann das System beispielsweise Trends analysieren und Schwellenwerte für die Gut-Produktion festlegen sowie überwachen. Vielleicht erscheint ja dann in 150 Jahren dieser Schritt zur Digitalisierung fast so groß wie der von der manuellen Spitzdüten-Produktion zum Maschinenbau.

Führung im Technikum: Der Vorstandsvorsitzende der W&H-Gruppe Dr. Jürgen Vutz erläutert der Bundesministerin für Bildung und Forschung Anja Karliczek die Blasfolienanlage

Bild 1. Show-Betrieb: Auf der K erreichte die Varex II dank ihres neuen Hochleistungskühlsystems einen Spitzenwert von 1559 kg/h Durchsatz 

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Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt mit dem Dr.-Richard-Escales-Preis 2019 geehrt

Am ersten Messeabend der K in Düsseldorf wurde zum achten Mal der Dr.-Richard-Escales-Preis verliehen. Ein Experte für additive Fertigung erhielt die Auszeichnung für seine Publikationen – und auch bei der überreichten Trophäe spielt der 3D-Druck die entscheidende Rolle.

Am ersten Messeabend der K wurde zum 8. Mal der Dr.-Richard-Escales-Preis verliehen. Ein Experte für additive Fertigung erhielt die Auszeichnung – und auch bei der überreichten Trophäe spielt der 3D-Druck die entscheidende Rolle.

Am Abend des ersten K-Messetags in Düsseldorf hat der Carl Hanser Verlag nun bereits zum achten Mal den Dr.-Richard-Escales-Preis verliehen. Für „besondere Leistungen in der Vermittlung technischen Fachwissens“ – wie es in der Urkunde heißt – erhielt Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt den Dr.-Richard-Escales-Preis 2019. Gebhardt studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und kam Anfang der 1990er-Jahre als Geschäftsführer der Laser Bearbeitungs- und Beratungszentrum NRW GmbH, Aachen, in Kontakt mit dem Rapid Prototyping, das anfangs ein wichtiger Treiber für den Einsatz der erst wenige Jahre zuvor entwickelten Maschinen für additive Fertigung war. Im Jahr 2000 wurde er als Professor für „Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Rapid Prototyping“ an die Fachhochschule Aachen berufen, der er nach seiner Emeritierung im August 2019 als Lehrbeauftragter treu bleibt. Daneben ist er aktiv als Geschäftsführer der Centrum für Prototypenbau GmbH, Erkelenz, und der IWF Institut für werkzeuglose Fertigung GmbH, Aachen.

„Mir ist es ein Anliegen, Dinge zu systematisieren“, kommentierte Gebhardt seine frühe und nachhaltige publizistische Tätigkeit zur additiven Fertigung. Sein Grundlagenwerk „Additive Fertigungsverfahren“ ist bereits 1995 in der ersten Auflage erschienen, sein jüngstes Buch „Produktgestaltung für die Additive Fertigung“ (mit den Co-Autoren Julia Kessler und Alexander Schwarz) wurde soeben rechtzeitig zur K fertig.

Dazwischen lagen zahlreiche weitere Buch- und Zeitschriftenveröffentlichungen in Deutsch und Englisch. Dabei kamen ihm wohl sein Bedürfnis und gleichzeitig sein Talent zugute, technische Sachverhalte nicht nur zu strukturieren, sondern auch im Kontext oft unterschiedlicher Interessen darzustellen, wie es in der Laudatio hieß.

Die entscheidende Rolle spielte der 3D-Druck diesmal auch bei der neu designten Siegestrophäe. Bereits Anfang 2019 gab der Carl Hanser Verlag dazu der italienischen Künstlerin Lady Be den Auftrag für ein Mosaik, das den Namensgeber des Preises darstellt. Dr. Richard Escales hatte 1910 die mittlerweile im Carl Hanser Verlag erscheinende Zeitschrift Kunststoffe gegründet. Die Besonderheit des nach einer über 100 Jahre alten Schwarzweißzeichnung erstellten farbigen Werks: Alle „Mosaiksteinchen“, aus denen das Porträt sich zusammensetzt, bestehen aus Kunststoff – teilweise bei näherer Betrachtung gut erkennbare Spielzeugfiguren. Mit dem Auftrag verband sich die Absicht, dieses 30 x 30 cm große Wandbild künftig als neue und unverwechselbare Trophäe in additiver Fertigung reproduzieren zu lassen.

Die Umsetzung des Plans, der aufgrund der lackierten und äußerst zerklüfteten Mosaikoberfläche schon beim Scannen zahlreiche Herausforderungen aufwies, trieb zunächst die Antonius Köster GmbH, Meschede voran. Gedruckt wurde die schließlich etwa 15 x 15 cm große Replika auf einem J750-System von Stratasys, das farbige Photopolymere mit UV-Licht aushärtet und so den Original-Farbeindruck erzeugte. Im zusätzlich erstellten Sockel, der den Namen des Preisträgers zeigt, wurde auch transparentes Material verarbeitet. Daher scheint die weiße Schrift in den für die Stabilität notwendigen Flächen zu schweben.

Beim Dr.-Richard-Escales-Preis handelt es sich um einen Medienpreis, der alle drei Jahre für besondere Leistungen in der Vermittlung kunststofftechnischen Fachwissens vergeben wird. Der Namensgeber Richard Escales lebte von 1863 bis 1924, war anwendungsorientierter Chemiker und Autor mehrerer bedeutsamer chemietechnischer Publikationen. Wegweisend und letztendlich auch bestimmend für den deutschen Sprachgebrauch war seine Wortschöpfung für den Titel der von ihm gegründeten Zeitschrift: Kunststoffe.

Die bisherigen Preisträger des seit 1998 vom Carl Hanser Verlag verliehenen Preises sind Dr. Erwin Bürkle (1998), Prof. Dr. Tim Osswald (2001), Dr. Erwin Baur (2004), Prof. Dr. Christian Bonten (2007), Prof. Dr. Georg Steinbichler (2010), Prof. Dr. Erich Wintermantel (2013) und Prof. Dr.-Ing. Sonja Pongratz (2016).

Von der Kandidaten-Kür bis zur Preisverleihung

Neu bei der Vergabe des Preises war dieses Mal der Call-for-Candidates im Frühjahr 2019. Der Aufruf erbrachte zahlreiche Nennungen potenzieller Preisträger, aus denen die Redaktion der Zeitschrift Kunststoffe im Juni den Gewinner der Auszeichnung kürte. Um welche Persönlichkeit der Branche es sich handelt, blieb allerdings bis zur Preisverleihung geheim.

Die festliche Verleihung des Dr.-Richard-Escales-Preises wurde in diesem Jahr wieder gemeinschaftlich ausgerichtet vom Carl Hanser Verlag und dem Verband Deutscher Werkzeug- und Formenbauer (VDWF). Der Leiter des Hanser-Fachzeitschriftenverlags Andreas Klein und VDWF-Präsident Prof. Thomas Seul konnten zur Preisverleihung über 100 Gäste aus der Kunststoffbranche willkommen heißen.

Auszeichnung: Mit dem Preisträger für 2019 Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt, der die im 3D-Druck hergestellte neue Trophäe hält, freuen sich (von links) Kunststoffe-Chefredakteur Dr. Karlhorst Klotz, VDWF-Präsident Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul und Andreas Klein, Leiter Fachzeitschriftenverlag von Hanser

Escales-Nachbericht - Hauptartikel

Eine Making-of-Bildergalerie zur im 3D-Druck hergestellten Trophäe finden Sie unter <a href="http://www.kunststoffe.de/9456915">www.kunststoffe.de/9456915</a>

Wie der Weitblick der Gründer und eine Kultur des Austauschs den 3D-Druck befruchten

Verglichen mit der Kunststoff- und Metallfertigung durchlebt das junge Fachgebiet der additiven Fertigung immer noch eine stürmische Entwicklung. Der Trend geht zur Digitalisierung, nicht nur im Sinne von Simulation und Software-Suites. Kein Wunder, dass viele Anwender sich das Thema auf unkonventionelle Art aneignen.

Verglichen mit der Kunststoff- und Metallfertigung durchlebt das junge Fachgebiet der additiven Fertigung immer noch eine stürmische Entwicklung. Der Trend geht zur Digitalisierung, nicht nur im Sinne von Simulation und Software-Suites.

Wer sich ernsthaft mit additiver Fertigung befasst, dem sind vermutlich immer wieder die Bücher von Prof. Dr. Andreas Gebhardt eine Hilfe gewesen. Als frischgebackenem Gewinner des Dr.-Richard-Escales-Preises hatten wir gleich doppelt Anlass, mit ihm über die Entwicklungen auf seinem Fachgebiet zu sprechen, das er seit Anfang der 1990er-Jahre begleitet und in zahlreichen Publikationen dargestellt hat.

Kunststoffe: Prof. Gebhardt, Sie haben schon eine Reihe anderer Ehrungen bekommen. Zum Beispiel sind Sie vor einem Jahr als „Urgestein“, als Pionier der 3D-Druck-Branche ausgezeichnet worden. Jetzt also der Dr.-Richard-Escales-Preis. Was bedeutet Ihnen diese Auszeichnung?

Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt: Die Auszeichnung als „Urgestein“ würdigt für mich das ständige Bemühen um das Thema, das Mitarbeiten in Ausschüssen usw., also das Weitertragen des Themas. Der Dr.-Richard-Escales-Preis hat für mich eine andere Dimension, weil Escales als Gründer der Kunststoffe das völlig neue Gebiet der Kunststofftechnik in die Welt tragen musste. Und der Erfolg hat ihm recht gegeben – die Zeitschrift gibt es ja noch, und das aufgrund einer Qualität, die sich über Jahre herausgebildet hat und die anerkannt ist. Ich habe in kleinerem Umfang auch ein völlig neues Gebiet aufgegriffen – nicht erfunden, das haben andere gemacht – und durch systematische Veröffentlichungen in Büchern und auf Kongressen versucht, das in die Welt zu tragen.

Kunststoffe: Sie haben Ihr erstes Buch über „Generative Fertigung“ oder „Rapid Prototyping“, wie es damals noch hieß, bereits 1995 veröffentlicht. Wie hat sich die Zielrichtung des Fachgebiets seither gewandelt?

Gebhardt: Interessanterweise ist das allererste Buch, das seinerzeit von Chuck Hull, Mitbegründer von 3D Systems, herausgegeben worden ist, betitelt: Rapid Prototyping and Manufacturing. Die – das muss man ja schon fast sagen – Großväter der additiven Fertigung hatten direkt im Visier, dass sie mit dieser neuen Technologie auch produzieren und nicht nur Mockups oder Anschauungsmittel herstellen wollten. Genau das ist es, was wir heute beobachten können: Die Entwicklung geht immer mehr in Richtung Produktion. Anwendungen z. B. auch für Kleinserien im Fahrzeugbau unterstreichen, dass diese Verfahren serienreif sind.

Kunststoffe: Können Sie dafür ein Beispiel nennen?

Gebhardt: Bei jedem Beispiel muss man vorsichtig sein, weil die Unternehmen, die das Geld ausgeben, es ja erst einmal verdienen müssen. Wenn die sich entscheiden, alles zu drucken, was sich drucken lässt, wird es das Unternehmen möglicherweise bald nicht mehr geben. Das Unternehmen braucht ja ein Gleichgewicht zwischen der Demonstration neuester Technologie – und damit der eigenen Leistungsbereitschaft – und der Wirtschaftlichkeit. Deswegen ist etwa das gedruckte Metallteil, das nun im BMW i8 eingebaut worden ist, in jeder Hinsicht gut als Beispiel geeignet: Es steht für Elektromobilität, wird aber in so kleinen Stückzahlen benötigt, dass BMW über die Entscheidung nicht stolpern wird. Wenn es nicht funktionieren sollte, könnte das Unternehmen wieder auf die Fall-back-Lösung zurückgreifen, also ein gefrästes Teil nehmen, und der i8-Käufer wird das gedruckte Bauteil nicht vermissen.

Kunststoffe: Solche Leuchtturm-Anwendungen bedeuten aber nicht, dass die Produktion mit additiven Verfahren auf breiter Front in die Industrie Einzug hält.

Gebhardt: Der ursprüngliche Anspruch – Prototyping und Produktion – mit einer Betonung auf dem „und“, ist aus meiner Sicht genau der richtige: Wir müssen die Teile, die wir produzieren, irgendwann auch einmal konstruieren und produktionsreif machen. Das ist der Rapid-Prototyping-Teil. Prototypen können natürlich, auch für spätere Metallteile, während der Entwicklung aus Kunststoff bestehen. Aber wenn es dann in die Produktion geht, dann zählen natürlich auch andere Anforderungen, beispielsweise die geplanten Stückzahlen und wirtschaftliche Aspekte, die erst einmal mit dem 3D-Druck nichts zu tun haben.

Kunststoffe: Woran liegt es, dass das Interesse in den letzten Jahren so stark zugenommen hat?

Gebhardt: Die verbesserte Wirtschaftlichkeit ist es insofern, als es über die Zeit immer mehr Beispiele dafür gibt, dass man das 3D-Drucken wirtschaftlich betreiben kann. Wie bei allen neuen Technologien war auch das 3D-Drucken zunächst sehr interessant, aber viel zu teuer. Wenn ich das mal so despektierlich sagen darf: Nach einiger Zeit haben immer mehr Leute verstanden, um was es wirklich ging. Dann entsteht ein Sog-Effekt. Wenn der eine Automobilhersteller sieht, dass der andere erfolgreich ein tolles Teil druckt, wird natürlich gefragt: Warum macht das denn bei uns keiner?

Kunststoffe: Trotz solcher Anwendungsbeispiele, die Aufsehen erregen: Wenn man sich den Verkauf von Druckern und den weniger dynamisch steigenden Verbrauch von Material anschaut, liegt der Schluss nahe, dass viele Unternehmen noch in der Orientierungsphase sind.

Gebhardt: Diese Phase ist auch erforderlich. Wenn es um einen Einstieg in die additive Fertigung von Metall geht, muss man mit Investitionen in der Größenordnung von etwa einer halben Million Euro rechnen. Wenn es um den qualifizierten Einstieg in das Drucken von Kunststoffen geht, muss man auch etwa 50 000 Euro auf den Tisch legen. Ein Firmen-Meinungsbildner, der zu Hause sieht, dass sein Sohn oder seine Tochter zu Hause ein Teil gedruckt hat, will meistens nur einfach mal anfangen. 6000 oder 8000 Euro für eine industrietaugliche Einstiegslösung bekommt er in seinem Budget wahrscheinlich auch unter und kann das so in die Firma tragen. Dann lernen die Mitarbeiter grundlegend, wie man mit der Technologie umgeht. Sogar unterschiedliche Technologien der additiven Fertigung sind miteinander verwandt – obwohl eine große Metallschmelzeanlage natürlich nicht dasselbe ist wie ein Drucker aus dem Baumarkt. Aber man ist schon mal in derselben Gedankenwelt unterwegs.

Kunststoffe: Learning by doing also …

Gebhardt: Unsere Art, mit Technologien umzugehen, hat sich nach meiner Erfahrung in den letzten 20 oder 30 Jahren vollkommen geändert. In meiner Jugend haben die Entwicklungsabteilungen am liebsten im Elfenbeinturm gearbeitet. Wichtig war ihnen, dass kein anderer sieht, womit man sich befasst. Heute verbreiten wir die Technologie über das Internet, das nach meiner Überzeugung am Gedankenaustausch über Technologien einen sehr großen Anteil hat. Heutzutage setzen sich Entwickler abends an ihren Rechner und tauschen sich weltweit mit anderen Experten über generelle Probleme aus. Es gibt also parallel zur eigentlichen Berufstätigkeit so eine Art „Volkshochschule“, in der sich Berufstätige mit mehr oder wenig enger Verbindung zu ihrem Job um diese Thematik kümmern, was auch dem Arbeitgeber wieder zugutekommt.

Kunststoffe: Im Unternehmen steht dem aber doch die Verpflichtung zur Geheimhaltung entgegen.

Gebhardt: Ich spreche von der ganzen Bandbreite, von Schülern über Studenten bis in die professionellen Ebenen. Natürlich wird in Firmen niemand darüber sprechen, was konkret die Entwicklungspläne sind. Aber auch solche Leute werden verschiedene Detail-Problematiken in passenden User-Zirkeln diskutieren.

Kunststoffe: Ist dieser relativ offene Austausch insbesondere ein Phänomen in Kreisen der Entwickler, die mit additiven Verfahren arbeiten?

Gebhardt: Dass das besonders bei den additiven Verfahren zu beobachten ist, hat sicher damit zu tun, dass diese Methoden relativ neu sind, also nicht so viel Erfahrung existiert. Deshalb wird da quasi ein Naturalientausch gemacht: Ich sage dir, wie ich meine Oberfläche glätten kann, und du erklärst mir dann, warum dein Schnapphaken so gut funktioniert. Das ist eine Kultur des Austauschs, die wir, zumindest hier in Deutschland, früher nicht so kannten.

Kunststoffe: Muss man also am besten schon mit Digitaltechnik aufgewachsen sein, um in diesem neuen Feld Erfolg zu haben?

Gebhardt: Man kann es in der additiven Fertigung durchaus zu etwas bringen, ohne ein Digital Native zu sein, wie Sie auch an mir sehen können. Aber immer mehr Glieder der Prozesskette bekommen tatsächlich digitale Anteile. Zum Beispiel werden die Programme zum Drucken immer komplizierter, umfangreicher und teurer. Aus Programmen werden Programmsysteme, oft Suites genannt, die wir gar nicht mehr kaufen, sondern als Cloud-Lösungen nutzen. In die Konstruktion eingebunden wird die Fertigung immer mehr simuliert, wie das im Spritzgießen schon lange selbstverständlich ist. Die Simulation ist heute vermehrt in den 3D-Fertigungsprozess eingebunden, weil wir die Mechanismen inzwischen besser verstehen, was Voraussetzung für das Simulieren ist. Das ist ähnlich wie bei der Spritzgießsimulation, die über die Zeit kontinuierlich verbessert wurde. So wurde z. B. irgendwann das thixotrope Verhalten von Kunststoffen in die Simulation eingebaut, wodurch sich viel realistischere Ergebnisse ergaben.

Kunststoffe: Dennoch sind die Abweichungen zwischen einzelnen mit additiver Fertigung hergestellten Bauteilen manchmal relativ hoch.

Gebhardt: Für die additive Fertigung ist da noch viel Arbeit zu leisten. Das Problem ist die teilweise noch nicht zufriedenstellende Reproduzierbarkeit. Wenn man sich das in einem Fischgrät-Diagramm vorstellt, bei dem die Einflüsse verschiedener Parameter auf das Ergebnis dargestellt werden, gibt es vielleicht etwa 160 oder gar mehr Einflussgrößen, die Auswirkungen auf das Ergebnis haben können – bis hin zum Luftdruck. Diese Prozesse sind daher nur sehr schwer reproduzierbar in den Griff zu bekommen. Auf dieser Strecke ist man über die Jahre aber sehr weit gekommen. Man sieht das daran, dass man Scharnierelemente eines Sportwagens heute drucken kann, die dann auch funktionieren.

Kunststoffe: Muss man betonen, dass additiv gefertigte Bauteile den Erwartungen entsprechen?

Gebhardt: Wir behaupten in der Branche ja gegenüber dem Kunden, wir könnten alles drucken und erzeugen so eine Erwartung, die wir oft gar nicht erfüllen können, sodass wir den Erwartungen hinterherlaufen. Das soll nicht heißen, dass Leute wissentlich falsche Informationen verbreiten. Aber man hat oft gesehen, dass es in der Praxis nicht so einfach geht, wie man selbst angenommen hat. Wie lange hat es zum Beispiel gedauert, bis wir stabile Harze hatten! Anfang der 90er-Jahre sind die Stereolithographiemodelle wegen der Aufnahme von Sauerstoff und Feuchtigkeit weich geworden und waren aufgrund dieser Veränderungen oft nicht brauchbar.

Kunststoffe: Was kann der Anwender tun, um sich vor solchen unangenehmen Erfahrungen zu schützen?

Gebhardt: Der Fehler bei der additiven Fertigung ist oft, sich kopfüber in ein Projekt zu stürzen, weil die Beispiele so toll sind. Man muss die Projekte aber auf Herz und Nieren prüfen. Die Teile, die man herstellen will, muss man gut diskutieren und sollte sich – wie generell in der Kunststoffverarbeitung – auch nicht schämen, Anwendungsberatung in Anspruch zu nehmen. Wenn man die Maschinen nicht kritisch beurteilt und nur nach Äußerlichkeiten geht, kommt es zu Reinfällen. Bevor man vielleicht selbst in eine Technologie investiert, kann man einen der vielen Dienstleister beauftragen, mal 50 Teile herzustellen. Da sollte man nicht zu geizig sein. Ein paar Dutzend Teile drucken zu lassen ist allemal billiger als eine Fehlentscheidung beim Maschinenkauf. Mit den hergestellten Testteilen kann man z. B. Zugversuche machen, Farben analysieren etc. Wenn man schließlich eine kleine Serie produziert, wird die Enttäuschung deutlich geringer ausfallen oder sich direkt ein Erfolg einstellen.

Kunststoffe: Woran erkennt man einen guten oder passenden Dienstleister?

Gebhardt: Wer zunächst ein paar Bauteile über Dienstleister (in-house oder extern) herstellen lässt, kann sich mit dem Lieferanten über das Resultat unterhalten. Dabei muss man deutlich formulieren, was man haben will. Zu oft wird das erst am Schluss deutlich als Kritik formuliert: „Das Teil ist aber zu rau.“ Wie bei jeder Beauftragung muss der Kunde alles ins Pflichtenheft schreiben, was er wirklich haben will. Vielleicht erkennt man daran einen guten Dienstleister, dass er eine Reihe von Fragen stellt, an die man selbst vielleicht gar nicht gedacht hat.

Kunststoffe: Wie kann man bei ersten Gehversuchen herausfinden, welche Technologie infrage kommt?

Gebhardt: Man kommt ja auf das 3D-Drucken, weil man Grenzen verschieben möchte. Dafür gibt es keinen Königsweg. Selbst wenn man ein völlig falsches Verfahren wählt, wird man ein Ergebnis bekommen und kann dann iterativ weiterarbeiten. Wer gar keine Ahnung hat, nur Faszination, kann erst einmal ein paar Wochenenden mit einem Baumarkt-Drucker arbeiten und wird z. B. selbst erfahren, dass und warum sich die Bauteile furchtbar verziehen. So kann man Schritt für Schritt lernen, wenn man mit Verstand an die Sache herangeht.

Kunststoffe: Welche Entwicklungen in der additiven Fertigung faszinieren Sie heute?

Gebhardt: Wir können heute flexible Materialien drucken, beispielsweise für schwimmende Sensoren, die aussehen wie Kaulquappen und sich mit Mikromotoren in Flüssigkeiten bewegen können, vielleicht einmal als aktives Element in einer Blutbahn. Das zu drucken ist schon sehr visionär. Und es gibt zunehmend kombinierte Verfahren, wie das Jet-Fusion-Verfahren, bei dem der klassische 3D-Druckprozess mit einem Sinterprozess kombiniert wird. Das macht die Maschinen komplizierter, aber solche Prozesse werden in Zukunft häufiger auftauchen. Kombinierte Prozesse werden die heutigen Grenzen verschieben helfen. Interessant ist auch z. B. das Clip-Verfahren (Continuous Liquid Interface Production), das ausnutzt, dass die Polymerisation vom Sauerstoffgehalt abhängt. Da kann man durch die Kontrolle des Sauerstoffgehalts in Flüssigkeiten Schichten kontinuierlich ineinander übergehen lassen. Das steigert die Prozessgeschwindigkeit und damit die Produktivität enorm und kann insbesondere für optische Anwendungen nützlich sein, die sich so ohne innere Defekte herstellen lassen.

Schließlich beobachten wir den Fortschritt der Digitalisierung. Das klingt zunächst verwirrend, denn additive Fertigung steht ja auch für digitale Fertigung. Genauer betrachtet arbeiten wir aber mehrheitlich mit diskreten (analogen) Werkstoffkennwerten. Aber schon jetzt kann man z. B. Farben digital definieren: An welchen Stellen soll ein Bauteil rot, gelb oder grün sein? Derzeit arbeitet man daran, weitere Materialeigenschaften digital zu definieren. Beispiele sind die Elastizität oder die Transparenz. Das wird insbesondere durch kombinierte Verfahren unterstützt. Aktuell kann man Bauteile drucken, die auf der einen Seite hart sind, auf der anderen weich. Ein so antiquiertes Bauteil wie ein Scheibenwischer wird so zu einem Paradebeispiel für die neuen Möglichkeiten des 3D-Drucks werden: Außen hart, innen hohl, um Wasser durchpumpen zu können, stellenweise elektrisch leitfähig, um ihn abtauen oder Waschwasser temperieren zu können und schließlich an der Scheibe weich, um an gekrümmten Scheiben besser anzuliegen – so könnte man sich das vorstellen.

Das Interview führte Dr. Karlhorst Klotz, Redaktion

Steifigkeit als Parameter: Die aus BASF Ultrasint TPU 01 auf einem System der Serie HP Jet Fusion 5200 hergestellten Bauteile setzen einer elastischen Verformung aufgrund  ihrer unterschiedlich dicken  Gitterstrukturen mehr (links)  oder weniger Widerstand  entgegen

Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt hat von 1973 bis 1978 an der RWTH Aachen Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Wärme-, Kraft- und Arbeitsmaschinen studiert und dort 1986 mit Auszeichnung promoviert. Im Jahr 2000 wurde er als Professor für „Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Rapid Prototyping“ an die Fachhochschule Aachen berufen, der er nach seiner Emeritierung im August 2019 als Lehrbeauftragter treu bleibt. Daneben ist Gebhardt aktiv als Geschäftsführer der CP Centrum für Prototypenbau GmbH, Erkelenz, und der IWF Institut für werkzeuglose Fertigung GmbH, Aachen.

Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt hat von 1973 bis 1978 an der RWTH Aachen Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Wärme-, Kraft- und Arbeitsmaschinen studiert und dort 1986 mit Auszeichnung promoviert. Als Geschäftsführer eines Laser-Bearbeitungs- und Beratungszentrums kam er 1991 im Rahmen eines Forschungsprojekts über das Laserhärten von Kurbelwellen mit den generativen Fertigungsverfahren in Berührung. Sein Grundlagenwerk zu den additiven Fertigungsverfahren ist bereits 1995 in der ersten Auflage erschienen; sein jüngstes Werk, das mit Co-Autoren erstellte Buch „Produktgestaltung für die Additive Fertigung“, erschien im Oktober 2019. Dazwischen liegen zahlreiche weitere Buch- und Zeitschriftenveröffentlichungen. Im Jahr 2000 wurde er als Professor für „Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Rapid Prototyping“ an die Fachhochschule Aachen berufen, der er nach seiner Emeritierung im August 2019 als Lehrbeauftragter treu bleibt. Daneben ist Gebhardt aktiv als Geschäftsführer der CP Centrum für Prototypenbau GmbH, Erkelenz, und der IWF Institut für werkzeuglose Fertigung GmbH, Aachen.

„Man kommt auf das 3D-Drucken, weil man Grenzen verschieben möchte. Dafür gibt es keinen Königsweg.“

Additive Fertigung

Die Zukunft der Mikrofabrikation  ist additiv

Breites Spektrum an 3D-Druckmaterialien ermöglicht neuartige Anwendungen

In den letzten 20 Jahren haben die neuen Möglichkeiten der additiven Fertigung Wissenschaftler, Ingenieure und Produktdesigner inspiriert, die herkömmliche Produktionsweise grundsätzlich zu hinterfragen. So konnten laufend neue Ideen zur schnellen und kosteneffizienten Herstellung von Komponenten und Produkten entwickelt werden. Auch auf der Mikro- und Nanoskala lässt sich das Prinzip der additiven Fertigung realisieren.

In den letzten 20 Jahren haben die neuen Möglichkeiten der additiven Fertigung Wissenschaftler, Ingenieure und Produktdesigner inspiriert, die herkömmliche Produktionsweise grundsätzlich zu hinterfragen.

Die Miniaturisierung ist eine der wichtigsten Herausforderungen in der modernen Fertigungsindustrie. Denn zur Entwicklung neuer Anwendungen werden immer mehr funktionale Mikrobauteile benötigt. Photonische Chips, Mikro-Kameralinsen, mikro-elektromechanische Sensoren und Lab-on-a-Chip-Systeme sind Komponenten, wie sie beispielsweise zur Daten- und Signalverarbeitung in der Medizintechnik oder Automobilindustrie genutzt werden. Für die heutigen Anforderungen in der Präzisionsfertigung bietet Nanoscribe auf spezielle Anwendungsbereiche zugeschnittene Mikrofabrikationslösungen für Wissenschaft und innovative Unternehmen an. Die 3D-Drucker von Nanoscribe arbeiten auf Basis der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP). Dabei werden für UV-Licht sensitive Lacke mit einem Nahinfrarot-Laser belichtet. Leistungsstarke, ultrakurze Laserpulse sorgen dafür, dass die Energie zweier Photonen den Fotolack aushärtet. Dieser Effekt kann nur im exakten Laserlichtfokus auftreten. Deshalb ist die Technologie von Nanoscribe etwa 100-fach präziser als vergleichbare 3D-Drucktechniken. So gelingt die direkte, additive Fertigung feinster und nahezu beliebig geformter Strukturen.

Mit der Zwei-Photonen-Graustufen-Lithografie (2GL) hat Nanoscribe eine neuartige Fertigungstechnologie entwickelt, die die Performance der Graustufen-Lithografie mit der Präzision und Flexibilität der Zwei-Photonen-Polymerisation kombiniert. Die gedruckten Strukturen erhalten eine glattere Kontur und zugleich eine höhere Formgenauigkeit. Das Design lässt sich mit Softwareunterstützung zielgerichtet überarbeiten, sodass die Produktentwicklungszyklen beschleunigt werden können.

Dank ihres weitgehend digitalen Workflows werden additive Fertigungstechniken gerne bei der Entwicklung und Herstellung von Prototypen oder für Kleinserien verwendet. Auch komplexe Designs sind damit realisierbar. Schnelle Entwicklungen und kürzere Produktlebenszyklen erfordern neue Konzepte auch in der volumenstarken Serienproduktion. Um miniaturisierte Bauteile und mikroskopisch kleine Strukturen auch in großen Stückzahlen herstellen zu können, unterstützt die 3D-Mikrofabrikation neue Fertigungskonzepte auf Basis hochpräziser Polymermaster, die mit industriellen Replikationsmethoden vervielfältigt werden.

Ein Beispiel ist das Spritzgießen: Durch Galvanoformung eines 3D-gedruckten Polymer-Masters wird ein sogenannter Nickel-Shim hergestellt, der die gleiche mikrostrukturierte Topografie aufweist wie das gedruckte Original. Dazu wird eine dünne metallische Schicht auf den Polymermaster aufgesputtert. Der Nickel-Shim wird daraufhin galvanisch abgeschieden und bildet die stabile Negativform für das anschließende Spritzgießverfahren. Hierbei wird ein thermoplastisches Polymer in den Hohlraum des Shims eingespritzt, wo es auskühlen und sich verfestigen kann. Dadurch nimmt das Spritzgussteil die Form des mikrostrukturierten Masters an. Mit diesem Verfahren verkürzt sich die Produktionszeit deutlich, die Stückkosten mikrostrukturierter Bauteile werden erheblich reduziert und die Produktion von Präzisionsteilen enorm beschleunigt.

Neben der Drucktechnologie hängen die Effizienz und Qualität eines Druckprozesses auch von den Eigenschaften der Druckmaterialien ab. Die polymeren Fotolacke von Nanoscribe wurden im eigenen Labor für Materialentwicklung speziell für das 2PP-Verfahren entwickelt. Je nach Anwendungszweck erfüllen die Lacke aufgrund unterschiedlicher Bestandteile verschiedene Anforderungen, wie feinste druckbare Strukturen, hohe Lichttransmission, glatte Oberflächen oder große Druckvolumina  (Teaserbild).

In der Mikrooptik, Photonik, für mikro-elektromechanische Systeme oder für biomedizinische Anwendungen sind definierte optische, mechanische, elektrische, chemische oder biologische Eigenschaften gefragt. Neben den eigens entwickelten 2PP-Fotolacken können auch andere, handelsübliche UV-härtende Lacke verwendet werden, wie sie beispielsweise in der Mikroelektronikindustrie zum Einsatz kommen. Dazu gehören SU-8 (MicroChem Corp., Westborough, Massachusetts/USA), Ormocer (eine Marke der Fraunhofer-Gesellschaft für ein vielseitiges Hybridpolymer) und verschiedene AZ-Positivlacke (Microchemicals GmbH, Ulm). Neben den Fotolacken gibt es ein weites Materialspektrum von Hydrogelen bis zu Kompositlacken aus Nanopartikeln. Letztere können beispielsweise zur Herstellung ferngesteuerter Mikromaschinen verwendet werden, deren Bewegungsfähigkeit von der Zusammensetzung der Nanopartikel in den gedruckten Materialien abhängig ist. Die Strukturen werden zum Beispiel gezielt mit magnetischen Partikeln beschichtet. So beginnen sich die Mikroroboter in oszillierenden Magnetfeldern zu bewegen.

Die enorme Designfreiheit, ein unkomplizierter Workflow sowie die große Auswahl an Druckmaterialien machen die 3D-Mikrofabrikation zu einem vielseitigen Werkzeug für zahlreiche Anwendungsfelder. Auf der Suche nach neuen diagnostischen und therapeutischen Verfahren untersuchen und entwickeln Ingenieure druckbare Materialien, die biokompatibel sind. Das ist in medizinischen Anwendungen oftmals unverzichtbar. So bieten beispielsweise winzige 3D-gedruckte Mikrotransporter für die Wirkstoffabgabe von Medikamenten gänzlich neue Perspektiven für minimalinvasive Therapien. Mikroskopisch kleine Linsensysteme (Bild 1) für Mikroendoskope ermöglichen wiederum minimalinvasive Operationen. Auch Nanoscribe forscht auf diesen Gebieten und entwickelt druckbare Materialien, die speziell auf die Bedürfnisse der Biomedizintechnik zugeschnitten sind.

Ein weiteres Anwendungsfeld der Mikrofabrikation ist die Produktsicherheit. Der Schutz von Marken gegen Produktpiraterie erfordert genauso wie die Fälschungssicherheit von Banknoten ständig neue Ideen und Verfahren. Zur Erzeugung von dreidimensionalen optischen Sicherheitsmerkmalen entwickelte ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Firma Zeiss fluoreszierende Sicherheitsstrukturen per 3D-Mikrofabrikation. Mit einem Nanoscribe-Drucker wurden zwei fluoreszierende Fotolacke, die in verschiedenen Farben leuchten, direkt auf eine nicht fluoreszierende 3D-Gitterstruktur gedruckt. So entstehen viele Bilder innerhalb einer Mikrostruktur auf verschiedenen Ebenen (Bild 2). Aufgrund der Komplexität des Designs und der individuellen Anordnung der Materialien ist es für Fälscher extrem schwierig, diese Struktur zu kopieren.

Die 3D-Mikrofabrikation etabliert sich in der Wissenschaft und in den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen von Industrieunternehmen immer stärker und wird zu einer Schlüsseltechnologie für Neuentwicklungen. Denn mit den von Nanoscribe entwickelten Mikrofabrikationslösungen können praktisch beliebige, hochkomplexe Designs mit sehr hoher Präzision realisiert werden.

Die ständige Entwicklung neuer Druckmaterialien befördert diese Entwicklung weiter.

Mit Mikrofabrikationssystemen von Nanoscribe können Volumina von bis zu 100 mm³ gedruckt werden

Bild 1. Ein Mikrolinsen-Array auf einem 6-Zoll-Wafer aus Silizium

Bild 2. Dreidimensionale fluoreszierende Sicherheitsmerkmale: (a) 3D-Rekonstruktion von Schichten mit einem konfokalen Fluoreszenzlasermikroskop; (b) einzelne unterschiedliche Strukturschichten in unterschiedlichen Strukturtiefen 

Nanoscribe - Hauptartikel

Sofia Rodriguez ist Diplom-Physikerin und Product Marketing Manager bei der Nanoscribe GmbH in Eggenstein-Leopoldshafen bei Karlsruhe; <a href="mailto:rodriguez@nanoscribe.com">rodriguez@nanoscribe.com</a>

Verfahren für die additive Fertigung

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

Anlagen für die Additive Fertigung

Mechanisches Verhalten additiv gefertigter Bauteile unter Kurz- und Langzeitbeanspruchung

Additive Fertigungsverfahren werden zunehmend zur Herstellung von Endprodukten eingesetzt. Deren Auslegung erfordert die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften. In einem Forschungsvorhaben wurden diese systematisch betrachtet und die Erkenntnisse anhand industriell gefertigter Teile validiert.

Additive Fertigungsverfahren werden zunehmend zur Herstellung von Endprodukten eingesetzt. Ein Forschungsvorhaben betrachtet die Auslegung der mechanischen Eigenschaften und validiert die Erkenntnisse anhand industriell gefertigter Teile.

Additive Fertigungsverfahren werden zunehmend relevanter für die Produktion von Kunststoffteilen, welche nicht länger nur als Anschauungs- oder Funktionsmuster dienen [1]. Von gedruckter Mode [2] über individuell angepasste Sportschuhe [3] oder Automobilinterieur [4], Luftkanäle im Automotive- Bereich [5], Ersatzteile für Busse [6] reicht das Spektrum bis hin zu Teilen für die Luft- und Raumfahrt [7]. Mit diesem Wandel ändern sich die Anforderungen an additiv gefertigte Teile, da neben Optik und Haptik nun auch die Gebrauchseigenschaften interessieren, allen voran das mechanische Verhalten.

Das SKZ, Würzburg, hat diesem Bedürfnis mit einem Forschungsvorhaben Rechnung getragen. Bei der Bauteilauslegung steht die Festigkeit besonders im Fokus. Daher wurde diese unter statischer sowie dynamisch-zyklischer Kurz- und Langzeitbeanspruchung bei 23 °C systematisch betrachtet, wobei die Forscher auch die typische, verfahrensbedingte Anisotropie additiv gefertigter Teile berücksichtigten. Die Bauteile wurden liegend (Beanspruchung in x/y-Richtung), stehend (Beanspruchung in z-Richtung, d. h. Prüfung der Schichthaftung) sowie beim Lasersinterverfahren auch in einer Mischform (diagonal, 45 °) hergestellt. Der Fokus lag dabei nicht auf der bestmöglichen Fertigung der Teile und anschließender Charakterisierung, sondern auf einer möglichst praxisnahen Abbildung des Standes der Technik. Das Forschungsvorhaben betrachtete deshalb die im Kunststoffbereich mit festen Ausgangsstoffen gegenwärtig dominierenden beiden Verfahren Lasersintern und Schmelzextrusion.

Für die Untersuchungen mit dem Lasersinterverfahren wurden auf einer Anlage vom Typ Formiga P110 (Hersteller: EOS GmbH, Krailling) mit einem häufig eingesetzten Polyamid-12-Pulver (PA 12; Typ: PA 2200, Hersteller: EOS) Zugstäbe nach DIN EN ISO 527–2 vom Typ 1A gefertigt. Wie in der Praxis üblich wurde mit einer Neu/Altpulvermischung von 50/50 gearbeitet. Als Referenz wurde die additiv gefertigte Bauteilgeometrie konventionell spritzgegossen, wobei PA-12-Neupulver der gleichen Charge zum Einsatz kam. Möglich wurde die Direktverarbeitung des pulverförmigen Werkstoffs durch eine deutlich erhöhte Schneckenumfangsgeschwindigkeit sowie verringertem Nachdruck. Teile für Validierungsversuche fertigten 3D-Druck-Dienstleister additiv auf Maschinen des Herstellers EOS mit dem gleichen Material sowie auf einem Drucker HiQ von 3D Systems Inc., Rock Hill (Material: PA 650, Hersteller: 3D Systems).

Das Verhalten unter mechanischer Kurzzeitbeanspruchung wurde über quasi-statische Zugversuche nach DIN EN ISO 527 bewertet. Der Einfluss der Baurichtung auf Festigkeit und Zähigkeit (Bruchdehnung) lasergesinterter Teile ist in Tabelle 1 dargestellt.

Die Streckspannung nimmt von liegend über diagonal bis hin zu stehend leicht ab. Die auffallend niedrigere Festigkeit der spritzgegossenen Referenz ist der schwierigen Verarbeitung des Pulvers sowie der geringeren Kristallinität aufgrund der schnellen Abkühlung im Werkzeug geschuldet. Der Einfluss der Baurichtung auf die Zähigkeit (Bruchdehnung) der Lasersinterteile ist wesentlich größer als auf die Festigkeit.

Die Zähigkeit (Bruchdehnung) liegend gefertigter Bauteile ist wesentlich größer als die Zähigkeit stehend gefertigter Teile. Im Unterschied zu den Spritzgießteilen versagten alle lasergesinterten Teile unabhängig von der Baurichtung spröde und mit geringer plastischer Verformung.

Das Verhalten unter statischer Langzeitbeanspruchung wurde über Zeitstandzugversuche in Anlehnung an DIN EN ISO 899 untersucht. Sowohl die lasergesinterten als auch die spritzgegossenen PA-12-Teile zeigen das thermoplast-typische Zeitstandverhalten mit Abnahme der Festigkeit über die Zeit (Bild 1). Das Ranking der Kurzzeitbeanspruchung bleibt dabei erhalten. Eine Normierung mit der jeweiligen Kurzzeit-Zugfestigkeit erwies sich als näherungsweise unabhängig von Baurichtung und Herstellverfahren und auch für industriell gefertigte Teile als valide (Bild 2).

Analog zu konventionell gefertigten Teilen erscheint die Berücksichtigung der zeitabhängigen Festigkeitsabnahme durch Abminderungsfaktoren bei der Auslegung möglich. Kann eine Beanspruchung entsprechend den stehend gefertigten Teilen nicht vermieden werden, so ist die auftretende größere Streuung durch einen größeren Sicherheitsfaktor zu kompensieren.

Dynamisch-zyklische  Langzeitbeanspruchung

Das Verhalten unter dynamisch-zyklischer Langzeitbeanspruchung (Zugschwellbelastung, Lastverhältnis R = 0) wurde über Dauerschwingversuche nach dem Wöhler-Verfahren bewertet. In allen betrachteten Fällen nimmt die Festigkeit mit steigender Beanspruchungsdauer bzw. Lastspielzahl ab (Bild 3). Dabei zeigten sich sowohl ein Zeit- als auch ein Dauerfestigkeitsbereich, und auch das Ranking der Kurzzeit-Zugversuche blieb erhalten.

Die Normierung mit der Kurzzeit-Zugfestigkeit ergab ein Bauteilverhalten, das nahezu unabhängig von der Baurichtung und dem Herstellverfahren ist und durch industriell gefertigte Teile bestätigt werden konnte (Bild 4). Werden Abminderungsfaktoren berücksichtigt, erscheint auch bei dynamisch-zyklischer Langzeitbeanspruchung eine Auslegung additiv gefertigter Teile möglich. Eine Beanspruchung entsprechend den stehend gefertigten Teilen ist nach Möglichkeit zu vermeiden oder über einen größeren Sicherheitsfaktor zu berücksichtigen.

Für die Untersuchungen mittels dem Schmelzextrusionsverfahren wurde eine Acrylnitril-Butadien-Styrol-Spritzgießtype (ABS) ausgewählt (Typ: Cycolac MG94, Hersteller: Sabic, Sittard-Geleen/Niederlande), aus der auf einem Einschneckenextruder zunächst Filamente mit 1,75 mm Durchmesser hergestellt wurden. Die additive Fertigung erfolgte auf einem selbst entwickelten 3D-Drucker (Typ: TripleF, Hersteller: SKZ – KFE gGmbH, Würzburg) unter Verwendung einer ± 45°-Kreuzschraffur mit einem Füllgrad von 100 %. Als Referenz wurden aus demselben Granulat Zugstäbe konventionell spritzgegossen. Während die dabei hergestellten Spritzgussteile der DIN EN ISO 527–2 Typ 1A Geometrie entsprachen, wurden bei den additiv gefertigten Teilen die Länge des parallelen Bereichs und die Schulterbreite reduziert. Zur Validierung fertigten mehrere Dienstleister Teile mit derselben Geometrie aus handelsüblichen ABS-Filamenten auf verschiedenen Druckern.

Tabelle 2 zeigt den Einfluss der Baurichtung sowohl auf die Festigkeit als auch auf die Zähigkeit (Bruchdehnung) der mittels Schmelzextrusionsverfahren hergestellten Teile unter Kurzzeitzugbeanspruchung. Die Festigkeiten der liegend gedruckten (Bild 5) und spritzgegossenen Teile sind ähnlich, die der stehend gedruckten Zugstäbe wiederum deutlich geringer. Im Hinblick auf Zähigkeit und Bruchverhalten sind die Unterschiede sogar noch deutlicher: Die spritzgegossenen und liegend gedruckten Teile versagen duktil, die stehend gefertigten hingegen spröde. Das belegt, dass die Verbindung der abgelegten Stränge innerhalb einer Bauebene wesentlich besser ist als die zwischen den Schichten, was im Belastungsfall berücksichtigt werden muss.

Unter statischer Langzeitbeanspruchung sinken die Festigkeiten bei allen untersuchten ABS-Teilen mit der Zeit deutlich, wobei die aus den Kurzzeit-Zugversuchen bekannte Reihenfolge hier ebenfalls bestehen bleibt (Bild 6). Die Normierung mit der Kurzzeit-Zugfestigkeit liefert ein näherungsweise verfahrensunabhängiges Verhalten (Bild 7). Somit kann bei der Bauteilauslegung das Verhalten unter Langzeitbeanspruchung über Abminderungsfaktoren berücksichtigt werden. Eine Beanspruchung wie bei den stehend gedruckten Teile sollte vermieden werden. Die Ergebnisse der industriell gefertigten Teile weisen zum Teil eine größere Streuung auf, die über einen größeren Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden sollte.

Dynamisch-zyklische Langzeitbeanspruchung

Unter dynamisch-zyklischer Langzeitbeanspruchung nimmt die Festigkeit sowohl der spritzgegossenen als auch der im Schmelzextrusionsverfahren hergestellten Teile mit der Beanspruchungsdauer bzw. der steigenden Lastspielzahl deutlich ab (Bild 8). Dabei bleibt abermals das Ranking aus den Kurzzeit-Zugversuchen erhalten. Anders als bei PA 12 konnte für ABS hingegen kein ausgeprägter Dauerfestigkeitsbereich beobachtet werden.

Die stehend gedruckten Teile haben auch in der normierten Darstellung eine verringerte Festigkeit. Möglicherweise ist dies durch eine zusätzliche Kerbwirkung infolge des Schichtaufbaus begründet. Neben dem Abminderungsfaktor für die dynamisch-zyklische Langzeitbeanspruchung ist daher auch ein Faktor für die Baurichtung erforderlich. Grundsätzlich sollte diese Beanspruchungsrichtung jedoch vermieden werden. Die industriell gefertigten Teile bestätigten die erzielten Ergebnisse.

Die systematisch durchgeführte Untersuchung konventionell und additiv gefertigter Probekörper hat gezeigt, dass das mechanische Langzeitverhalten unter Zugbeanspruchung in allen betrachteten Fällen vom Material dominiert wird. Für die Dimensionierung erscheint somit sowohl für statische als auch dynamisch-zyklische Lastfälle die etablierte Auslegung anhand der Kurzzeitzugfestigkeit in Kombination mit Abminderungsfaktoren für die Langzeitbeanspruchung möglich. Die Faktoren sind dabei immer für den konkreten Anwendungsfall (Werkstoff, Zeit, Temperatur etc.) zu ermitteln.